概述

光伏逆變器是將光伏（PV）太陽能板產(chǎn)生的可變直流電壓轉(zhuǎn)換為市電頻率交流電（AC）的逆變器，并網(wǎng)輸入到電網(wǎng)輸電系統(tǒng)。光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中重要的組成部分，可以配合一般交流供電的設(shè)備使用。為給客戶提供一個穩(wěn)定高效、安全可靠、支持快速驗證與二次開發(fā)的光伏微型并網(wǎng)逆變器的參考設(shè)計方案，廣芯微電子（廣州）股份有限公司采用自研UM3243F主芯片，設(shè)計了一套2-in-1光伏微型并網(wǎng)逆變器方案平臺，實現(xiàn)單級變壓拓撲，單板尺寸僅為175mm x 155mm，單板高度為23mm。該拓撲結(jié)構(gòu)還可用于AC-DC開關(guān)電源等數(shù)字電源領(lǐng)域，有助于提升效率、縮減尺寸、減少BOM和降低功耗。

本光伏微型逆變器參考設(shè)計平臺具有以下優(yōu)點：

1. 高效率：市面主流的光伏逆變器采用雙級功率轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，本方案采用單級變壓結(jié)構(gòu)，減少功率轉(zhuǎn)換帶來的損耗，提高率轉(zhuǎn)效率；

2. 拓撲結(jié)構(gòu)精益：采用單級變壓結(jié)構(gòu)，有效減少功率零件和信號采樣數(shù)量，功耗更低、發(fā)熱更少；

3. 緊湊尺寸: 采用自研Cortex-M4微處理器UM3243F芯片以及精益拓撲結(jié)構(gòu)，進一步精簡單板尺寸與元器件成本；

4. 保護：輸入過壓過流保護、輸出過流保護、電網(wǎng)電壓和頻率檢測及保護；

5.無線通信：基于互聯(lián)網(wǎng)的WiFi無線通訊，可實時監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)和電量，并可搭配廣芯微自研的Sub-GHz無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以支持公里級戶外數(shù)據(jù)無線傳輸，提供更加靈活的應(yīng)用場景。

硬件方案介紹

在光伏微型逆變器控制模塊中，主要組成部分包括廣芯微自研主控高性能數(shù)字電源MCU UM3243F、功率半導體、無源元件和柵極驅(qū)動電路等。通過獨立UM3243F控制，實現(xiàn)兩路光伏電流輸入，一路交流電流輸出的2-in-1光伏微型逆變器方案。UM3243F以其高性能指標與數(shù)字電源控制算法，可以完全取代以往基于DSP的實現(xiàn)方案。

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光伏微型逆變器方案

軟件方案介紹

對光伏板和交流網(wǎng)進行電壓、電流采樣，通過“調(diào)頻移相”控制方法實時計算出需要的開關(guān)頻率和移相角度，實現(xiàn)對輸入到220V/50Hz、220V /60Hz電網(wǎng)的交流電流的精確控制，同時獲得高質(zhì)量的輸出電流和最大功率點跟蹤（MPPT）。

光伏微型逆變器方案系統(tǒng)框圖

保護方案介紹

輸入過壓保護：當直流側(cè)輸入電壓高于逆變器允許的最大值時，逆變器不會啟動或停止運行(當正在運行時)，同時會通過無線通信上送報警信息。直到直流側(cè)電壓恢復到逆變器允許的工作范圍后，逆變器將會再自動正常啟動運行。

輸入過流保護：當微型逆變器運行時，其輸入電流高于允許的最大值時，逆變器(當正在運行時) 會止運行并通過無線通信上送報警信息。

輸出過流保護:當微型逆變器運行時，其輸出電流峰值高于允許的最大輸值時，逆變器會止運行并通過無線通信上送報警信息。

輸出過/欠壓，過/欠頻保護：逆變器會實時測量交流電網(wǎng)的電壓和頻率，如果發(fā)現(xiàn)過/欠壓，過/欠頻等異常狀態(tài)，逆變器會止運行并通過無線通信上送報警信息。在電網(wǎng)電壓、頻率恢復到允許的范圍時，逆變器會再自動正常啟動運行。

微型光伏逆變器平臺演示板

下圖是2-in-1 600W 光伏微型逆變器平臺的演示板

2-in-1微型光伏逆變器的演示板單板尺寸175mm （長）x 155mm（寬）

功能參數(shù)及測試波形

功能參數(shù)

功率：2 x 300W

峰值效率：~96.2%

電流總諧波畸變率：< 4%

功率因數(shù)：>0.99

測試波形

下圖是微型逆變器工作在187 – 254V電網(wǎng)電壓下2 x300W功率輸出的波形，微型逆變器可以在不同的電網(wǎng)電壓下進行可靠工作。

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下圖是微型逆變器在20 – 100%光照下的動態(tài)最大功率點跟蹤效果。微型逆變器可以在不同的光照情況下，對光伏板最大功率點進行準確跟蹤，確保最大發(fā)電量。

下圖是微型逆變器在220V50Hz和60Hz的交流電網(wǎng)下工作波形，微型逆變器可以應(yīng)用到不同交流電網(wǎng)場合。


220V/60Hz 電網(wǎng)

220V/50Hz 電網(wǎng)

UM3243F芯片特點：

ARM Cortex -M4F內(nèi)核，工作頻率最高可達到240MHz；

支持DSP指令與單精度FPU；

內(nèi)置自研硬件運算協(xié)處理器Cordic運算單元；

ADC支持單端和差分，最高采樣率6.375Msps；

PWM精度最高2.08ns；

內(nèi)建加解密引擎AES(128/256）和SHA256；

動態(tài)功耗：100uA/MHz（低壓模式下80uA/MHz）；

支持SDIO，CAN， EMAC接口。

審核編輯：劉清